基于SPWM逆變控制技術的高速磨床

王曉峰

摘 要：SPWM控制方式有3種，一種是通過模擬電路控制，一種是通過數字電路控制，還有一種是通過前兩者相結合的方式控制，通過SPWM控制技術可以減少輸出電壓中的諧波含量，可以有效的減少轉矩脈動，使得高速磨床的電主軸運行更加平穩。

關鍵詞：模擬電路；數字電路；脈沖序列

高速磨床中主要拖動系統中使用的電動機與平時使用的三相異步電動機不同，稱為電主軸。其外形比普通使用的電機主軸要更細更長，其主體內部是裝載有冷卻水腔的，由于水腔的存在，可以很好的散發出電主軸因高速運轉而產生的熱量，同時采用油霧潤滑軸承，要使其使用時的油霧壓力保持在0.1-0.12MPa。

電主軸在工作時對電源的品質提出了相關要求，輸入電壓和頻率直接決定了工件的成品率和精度，其中220V輸入電壓在±10%范圍內波動時，要求輸出要保持在±5%以內，頻率的精度更要保持在±1%以內，為了達到要求的穩定度，要加入電壓反饋環節。同時由于使用環境的原因，要加入完善的接地保護，同時因為轉動慣量、低頻阻抗較小，不能長期低頻運行，啟動和停止的次數不能過于頻繁。

在滿足以上要求的同時，我們加入SPWM控制，如采用模擬電路實現SPWM控制，首先要模擬元器件構成的三角波和正弦波發生器產生三角載波信號uΔ和正弦波參考信號uR，然后將兩個量同時送入電壓比較器，產生SPWM脈沖序列。通過這種調制方式時uΔ和uR信號的比較和確定脈寬所花的時間較短，信號幾乎是瞬時完成的，不需要像數字電路一樣采用軟件的計算需要花一定的時間。但是這種算法所需要采用的基礎硬件較多，改變相關參數和調試不夠靈活。如果采用基于數字電路的SPWM逆變器，可以使用以軟件為基礎的相關控制模式。同時由于所用硬件數量較少而顯得較為靈活，但是需要通過計算機來決定SPWM的脈沖寬度，有延時和響應時間。

通過于模擬電路確定SPWM脈沖寬度方法相似的還有自然采樣法，里面是通過計算機計算來獲得三角載波信號uΔ和正弦波參考信號uR的交點。交點便可方便的找到與之對應的時刻（t0、t1、t2…），在時間軸上的投影便可確定SPWM脈沖的寬度，在使用時，將正弦波的quarter周期內的uΔ和uR值計算出來寫入表格存入計算機，當需要計算某時刻的uΔ和uR數值時，可通過查找表格的方法來快速得到結果，由于波形是對稱的，只要得到正弦波的quarter周期的uΔ和uR值就可，在同一周期的其他時刻的數值可以通過對稱關系求得。自然采樣法可以較為準確的確定uΔ和uR的交點，但是計算量較大，當頻率的范圍變的較大時，需要對各種頻率下對應的uΔ和uR值列出表格。所以只有當輸入的頻率變化不大時可以采用自然采樣法，如果要簡化計算量可以使用規則采樣法。

為了簡化計算量，可以采用近似的算出uΔ和uR的交點的方法，規則采樣法就是使uΔ和uR用近似的交點來替代實際的交點，此種方法有一定的誤差，但確實減少了計算量。

高速磨床調速控制系統：

其調速控制原理為高速磨床的主電路將三相交流電進行了可控整流，在經過逆變橋，變成中頻交流電去拖動電主軸。變頻器的啟動方式為軟啟動，里面的PR板決定輸出頻率、電壓以及電流。PR板所接阻值的大小將確定放大器電壓的大小，通過電壓控制觸發電路，使輸出電壓u0的范圍受到控制。同時所接阻值的大小，在經過電壓/頻率轉換，即確定了變頻器的電壓值，又得到了所需要的頻率。通過軟啟動、積分電路，保持電壓/頻率值不變，就能以恒轉矩起動。同時調速電位器可控制電動機速度的上升和下降，當電動機速度處于其額定轉速時，電位器調整在最大值的位置。當電動機需要制動時，要接入制動電阻，電壓/頻率的值按積分規律下降。整個變頻控制系統進入能耗制動。當輸出電流超過額定值時，電流互感器使變頻器的輸出電流值下降，從而使負載電流的增長得到限制。

通過對高速磨床進行SPWM逆變控制，可以使電主軸的轉速和工藝流程得到改善，對工作的效率帶來了提升。也同時滿足了高速磨床拖動系統的控制要求。

參考文獻：

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